3第三章-建筑结构设计方法

第三章建筑结构设计方法主要内容3.1结构功能要求和极限状态3.2概率分布与保值率3.3结构可靠度理论3.4结构极限状态设计法3.1结构功能要求和极限状态3.1.1结构功能要求结构在规定的设计使用年限内，对安全性、适用性、耐久性的要求。结构在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；1.安全性在设计规定的偶然事件发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定性。结构在正常使用时具有良好的工作性能。2.适用性结构抵御使其材料性能恶化的各种侵蚀的能力。要求在正常维护下具有足够的这样的能力。3.耐久性3.1.1结构功能要求4.混凝土结构的耐久性设计3.1.1结构功能要求目前结构耐久性问题尚处于研究阶段，还达不到量化计算的程度，一般是通过设计、施工和维护等方面采取相关的措施来实现。天津市滨海盐渍地下砼排水管半年即遭强腐蚀破坏成都市武警停车场化粪池盖板老化折断4.混凝土结构的耐久性设计3.1.1结构功能要求混凝土结构耐久性问题取决于钢材和混凝土两种材料，一般情况下主要取决于内部钢筋是否锈蚀。混凝土的高碱性将在钢筋表面形成一层氧化膜（钝化膜），它能有效地保护钢筋。但是，由于大气中的二氧化碳或其他酸性介质，将使混凝土中性化而降低其碱度，这种现象称混凝土碳化。碳化、锈蚀均与环境和时间有关，另外，碳化还与混凝土的碱性程度有关。混凝土中钢筋腐蚀过程t0预备阶段t1发展阶段中期t2发展阶段后期t3发展阶段晚期4.混凝土结构的耐久性设计3.1.1结构功能要求耐久性设计依据◆环境等级◆设计使用年限耐久性措施◆确定混凝土保护层厚度◆限制裂缝宽度◆限制混凝土中不利成分◆钢筋防锈措施◆使用阶段的维护和检测新规混凝土结构的环境等级环境等级◆设计使用年限为50年尚应满足上表要求◆钢筋的混凝土保护层厚度不应小于钢筋的公称直径◆设计使用年限为100年不应小于上表要求的1.4倍新规◆设计使用年限50年结构按上表要求◆100年结构耐久性作用等级按上表提高一级◆25年结构耐久性作用等级可按上表降低一级新规5.可靠性规定的时间设计使用年限规定的条件正常设计、正常施工、正常使用可靠性=安全性+适用性+耐久性结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的能力。结构功能要求=结构可靠性要求3.1.1结构功能要求3.1.2极限状态1.极限状态定义2.极限状态分类整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。目前极限状态分为两类：一类与结构安全直接相关，称为承载能力极限状态；一类与结构适用和耐久相关，称为正常使用极限状态。3.承载能力极限状态◆整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆等)3.1.2极限状态2009年6月上海倒楼事件◆结构构件或连接因超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏)，或因过度变形而不适于继续承载3.承载能力极限状态3.1.2极限状态◆结构转变为机动体系3.承载能力极限状态3.1.2极限状态柱端塑性铰映秀镇漩口中心教学楼震害◆结构或结构构件丧失稳定(如压屈等)3.承载能力极限状态3.1.2极限状态日本阪神地震某钢结构柱间支撑压屈失稳3.承载能力极限状态3.1.2极限状态◆地基丧失承载能力而破坏(如失稳等)1964年日本新泻地震引起地基液化使建筑严重倾斜新规3.1.2极限状态4.正常使用极限状态◆影响正常使用或外观的变形；◆影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝)；◆影响正常使用的振动；◆影响正常使用的其他特定状态。新规3.2概率分布与保证率3.2.1统计参数定义nxnii1112nxnii1.平均值2.标准差3.变异系数3.2.2正态分布频率密度对称轴反弯点随机变量x正态分布曲线1.概率密度函数1dxxfPtXxtf3.2.2正态分布2.概率分布函数dttfxXPxFx222exp21ttfdttxXPxFx222exp213.2.2正态分布2.概率分布函数abbadttfdttfdttfbXaP●双边概率aFbFtfabtX3.2.2正态分布2.概率分布函数●单边概率tftadttfaXPaFatbtfdttfbFbXPb11aF1bF3.2.2正态分布2.概率分布函数●标准正态分布一般正态分布xxfdttexpxFx22221标准正态分布1xfx0dttexpxx2212xxF表3-2例题3-13.2.3保证率某预制构件厂对某工程所作试块的统计资料强度标准值强度平均值3.2.3保证率建筑结构可靠度设计统一标准第5.0.3条规定材料强度的标准值可取其概率分布的0.05分位值确定。材料弹性模量、泊松比等物理性能的标准值可取其概率分布的0.5分位值确定。材料强度标准值的确定模式xfkfxkfFkfF13.2.3保证率xf6451.保证率95%kfx950645116451..F.XPfXPkxf2保证率97.73%kfx97730212.FXPfXPk2.27%3.3结构可靠度理论3.3.1结构极限状态方程◆作用效应S由作用引起结构或结构构件的反应，例如内力、变形、裂缝等。作用下荷载等截面简支钢梁在均布Δlq线弹性，跨中EIqlfqlM3845842直接作用荷载效应3.3.1结构极限状态方程◆作用效应SSf（S）SkSSo荷载效应概率密度曲线一般荷载与荷载效应按线性关系对待，因此荷载效应与荷载有相同的统计分布规律。3.3.1结构极限状态方程◆抗力R结构或构件承受作用效应的能力，如承载能力。影响结构抗力大小的主要因素●结构的构成形态●构件的几何尺寸●材料性能3.3.1结构极限状态方程◆抗力RRf（R）oRkRR抗力概率密度曲线由材料的变异性、构件几何特征和计算模式等的不定性，决定了结构抗力也应是随机变量。3.3.1结构极限状态方程SR——可靠SR——失效S=R——极限状态结构的功能要求S≤R◆功能函数0极限状态0可靠0失效SRZ◆结构极限状态方程0SRZ3.3.2结构的可靠度结构在规定的时间内、在规定的条件下，完成预定功能的概率。其反意词——失效概率。◆结构可靠度定义规定的时间设计使用年限规定的条件正常设计、正常施工、正常使用3.3.2结构的可靠度◆可靠度指标与失效概率的关系22SRZSRZ概率理论SRZ可靠度失效概率SfRZ=R-SSRZSRZ.S.RSR0（可靠概率）sP3.3.2结构的可靠度◆可靠度指标与失效概率的关系22SRSRSRZ可靠度指标βSRZZZZf（z）Pfβ与Pf关系β2.73.23.74.2Pf3.5×10-36.9×10-41.1×10-41.3×10-5一次二阶矩法sPZzfFP00fP显然P28例题3-2Z3.3.3按可靠指标的设计准则延性破坏指结构构件在破切前有明显的变形或其他预兆。脆性破坏指结构构件在破切前无明显的变形或其他预兆。◆承载力极限状态结构承载力极限状态的可靠指标破坏类型延性破坏脆性破坏建筑结构桥梁结构一二三一二三3.73.22.74.74.23.74.23.73.25.24.74.2安全等级安全等级3.3.3按可靠指标的设计准则◆正常使用极限状态●可靠指标取值根据可逆程度取β=0～1，可逆程度较高的结构构件取值较低，可逆程度较低的结构构件取值较高。可靠度50%～84%●不可逆极限状态产生超越状态的作用移掉后，仍将再保持超越状态的一种极限状态。●可逆极限状态产生超越状态的作用移掉后，将不再保持超越状态的一种极限状态。3.4概率极限状态设计法实用的分项系数表达法分项系数表达法思路SRRSSRkSkRRSRRSSRkksf（Z）OS、R概率密度曲线3.4概率极限状态设计法3.4.1承载能力极限状态设计应按结构构件的安全等级、设计使用年限并考虑工程经验确定。◆结构重要性系数γ0γ0S≤R①安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，γ0≥1.1②安全等级为二级或设计使用年限为50年结构构件，γ0≥1.0③安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，γ0≥0.93.4.1承载能力极限状态设计◆荷载效应分项系数21作用S②永久荷载效应起控制作用S①可变荷载效应起控制maxS荷载效应基本组合设计值根据各荷载效应的变异性而确定，当与各荷载效应标准值相乘后而成为设计值。RS0内部各项的是针对和SciQiG,永久荷载效应分项系数G可变荷载效应分项系数Qi可变荷载的组合值系数ci①可变荷载效应起控制作用的组合QiKciniQiKQQGKGSSSS2111刚体稳定等砌体0.80.9对结构有利时1.0对结构不利时1.2G永久荷载效应分项系数2k4KN/m1.3工业楼面q1.4一般情况下n,,iQi321可变荷载效应分项系数1ci可变荷载Qi的组合值系数②永久荷载效应起控制作用的组合QiKciniQiGKGSSS1241351.,.QiG可变荷载只考虑竖向荷载S2组合的目的是提高以自重为主的结构的可靠度，如砌体结构。21作用S②永久荷载效应起控制作用S①可变荷载效应起控制maxSm6m6kq1kq2kg梁计算简图屋面平面简图m.63m.63m.63m.63m.63负荷宽度墙梁例1中国广东某厂房钢筋砼屋面简支梁，跨度为6m，截面尺寸为b×h=250mm×500mm，梁的负荷宽度为3.6m，已知屋面板（预制板）自重标准值为3kN/m2，不上人屋面活荷载标准值0.5kN/m2（组合值系数0.7）,积灰荷载标准值为0.3kN/m2（组合值系数0.9）,试求梁跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值。解：lq282qlVqlM，计算gk梁自重0.25×0.5×25=3.125kN/m板自重3×3.6=10.8kN/mgk=13.93kN/mq1k=0.5×3.6=1.8kN/mq2k=0.3×3.6=1.08kN/mmkNlqMmkNlqMmkNlgMkkQkkQkGk86.48608.181.8868.187.628693.1382222221122方法一跨中弯矩设计值mkNMMMMQikcQkQQGkG·7.9286.49.04.11.84.17.622.122111mkNMMMQikciQiGkG·7.9886.49.01.87.04.17.6235.12mkNMM·7.982支座边缘截面剪力设计值同理kNV79.65方法二kkkkkkq.q..g.q..q.g.maxq212190704135190414121mkN.mkN.mkN.max..............max9321932162008190817041931335108190418141931321kN..qlVmkN..qlM79652693212798869321822由材料的变异性而确定，构件抗力标准值除以该分项系数后成为抗力设计值。RKRRQ420钢1.111Q390,Q345,Q235钢1.087钢结构砌体结构1.6钢筋1.1～1.21.4混